渝昆高鐵華山松隧道穿越凝灰?guī)r段施工工法分析

杜燕忠

（京昆高速鐵路西昆有限公司，重慶 400023）

0 引言

隨著我國鐵路的快速發(fā)展，作為重要組成部分的隧道也逐步向“長、大、深”方向發(fā)展，其中不可避免地需要穿越不良地質層，凝灰?guī)r地層就是其中一種。凝灰?guī)r地層具有遇水軟化、自穩(wěn)能力差等缺點，施工中可能發(fā)生突水、突泥，洞頂坍塌、滑涌失穩(wěn)等風險。相關研究中，王俊海［1］以新建大臨鐵路大平掌隧道為背景，介紹了全風化凝灰?guī)r隧道的施工難點；楊善成等［2］以林芝—拉薩高等級公路米拉山隧道為背景，提出圍巖注漿堵水和隧道排水是防止凝灰?guī)r遇水軟化的重要措施；王樹英等［3］針對貴昆鐵路三聯隧道，研究高地應力強風化凝灰?guī)r地層隧道支護結構大變形的原因及其整治方案。本研究依托在建渝昆高鐵華山松隧道，分析穿越破碎凝灰?guī)r段兩臺階與三臺階工法下，圍巖、支護結構受力及變形情況，為此類在建工程的后續(xù)施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

華山松隧道位于云南省會澤縣待補鎮(zhèn)與田壩鄉(xiāng)境內，隧道起訖里程為DK568+780～DK585+240，全長16 460 m。隧道最大埋深約為432 m，最小埋深約為13 m。華山松隧道為Ⅰ級高風險隧道，圍巖級別以Ⅳ、Ⅴ級為主，不良地質為有害氣體、巖溶、圍巖大變形、水庫塌岸等。掌子面圍巖呈現玄武巖夾凝灰?guī)r，紅褐色，節(jié)理發(fā)育，巖質軟，結構面結合較差。巖體呈裂隙塊狀結構，圍巖潮濕，左側滲水嚴重，結構面有軟化現象，自穩(wěn)性差。

1.2 施工情況

1.2.1 監(jiān)測情況。華山松隧道2 號橫洞大里程端DK578+970（1#）～DK579+020（7#）變形情況如圖1 所示。根據現場監(jiān)控數據分析可以看出，測點累積變形和變形速率都在急劇增大，表明該段出現大變形。

圖1 華山松隧道2號橫洞大里程端DK578+970（1#）～DK579+020（7#）變形情況

1.2.2 施工災害。華山松隧道2 號橫洞工區(qū)正洞施工過程中，洞身開挖多次遇到凝灰?guī)r夾層，掌子面溜塌頻繁，其中DK579+900～+020 段出現侵限及溜塌現象，如圖2所示。

圖2 華山松隧道掌子面溜塌及侵限

1.2.3 方案優(yōu)化。方案采用的鋼架類型為Ⅰ22a 型鋼鋼架，全環(huán)設置，縱向間距0.6 m；超前支護類型為Φ76 mm 中管棚加Φ42 mm 超前小導管，Φ76 mm 中管棚，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)50 根，縱向間距6 m，單根長9 m；Φ42 mm 超前小導管，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)50 根，縱向間距3.0 m，單根長4.5 m。DK579+004～+007 段設置3 m 厚C20 混凝土止?jié){墻，DK579+004～+025 段進行拱墻超前周邊雙液漿注漿堵水，注漿范圍為開挖輪廓線外5 m，施工方法由臺階法變?yōu)槿_階法。

2 數值模擬

2.1 計算模型

選取DK579+000～+032 段為研究對象，建立三維模型。模型取縱向方向（Y軸方向32 m），垂直于隧道軸向方向（X軸84 m），豎向底部范圍取距離隧道底部35 m，施工模擬過程中僅考慮自重條件，不考慮構造應力作用，模型邊界為法向位移約束［4-5］。計算模型如圖3所示。

2.2 計算參數

超前支護及錨桿等效為周邊圍巖參數加強，工字鋼及鋼筋按剛度等效原理等效噴射混凝土［6-8］。根據地質勘查報告及同地區(qū)類似資料，模型中圍巖及支護結構參數見表1。

表1 圍巖及支護結構參數

2.3 施工模擬

本次模擬計算中，各臺階進尺統(tǒng)一按3 m 考慮，施工過程中按“第一次開挖—第二次開挖+第一次支護—第三次開挖+第二次支護”的順序進行施工模擬，二襯施工僅作為安全儲備。兩臺階施工時，施工步驟共計15 個，三臺階法施工時施工步驟共計16個，具體如圖4所示。

圖4 隧道開挖施工工序示意

3 結果分析

3.1 位移分析

隧道開挖完成后整體位移云圖如圖5所示。

圖5 隧道開挖后位移云圖

由圖5 可知，兩臺階最大沉降值為7.8 cm，三臺階最大沉降值為6.7 cm，采用三臺階施工工法最大沉降量比兩臺階施工工法降低14%。取模型中間斷面為特征斷面進行分析，其隧道初支拱頂隨施工步的變形曲線如圖6所示。

圖6 不同開挖工法下特征斷面隧道拱頂沉降曲線

由圖6 可知，隧道開挖的過程中，拱頂沉降曲線呈現“緩慢增加—急劇增加—緩慢減小—平穩(wěn)”四個階段的規(guī)律；兩臺階最大拱頂沉降量為5.62 cm，三臺階最大拱頂沉降量為5.11 cm。

由上圍巖及支護結構位移分析可知，采用三臺階法開挖后，變形情況較兩臺階有一定程度的改善，其中整體最大沉降量降低14%，特征斷面沉降量降低9%。

3.2 圍巖應力分析

隧道開挖圍巖整體應力云圖如圖7所示。

由圖7 可知，隧道開挖后，隧道拱頂和仰拱部位應力值均出現拉應力，其中最大拉應力值為0.1 MPa。在隧道施工過程中要注意控制一次開挖進尺及盡早支護，防止出現塌方及底部隆起情況；在隧道兩側拱肩部位出現最小主應力（壓應力）集中現象。

3.3 支護結構應力分析

隧道開挖支護結構應力云圖如圖8、圖9所示。

圖8 兩臺階支護結構應力

圖9 三臺階支護結構應力

由圖8、圖9可知，隧道開挖完成后，兩種工法初期支護最大拉應力值均超過噴射混凝土極限抗拉強度，其中三臺階最大拉應力較小，很容易出現初期支護開裂，主要出現在隧道拱部區(qū)域，另外在仰拱部位也出現一定拉應力。施工中在進行仰拱施工時，應注意清除底部浮渣及雜物，另外在隧道拱部區(qū)域應加強鋼筋網片間距控制，防止出現初期支護開裂。最大壓應力出現在墻腳部位，兩臺階工法最大壓應力為17.2 MPa，三臺階工法下最大壓應力為17.1 MPa，由于初期支護中有鋼架，一般不會出現由于強度不足而出現壓壞的情況，但為了保證初期支護整體安全性，施工中應注意加強該部位鎖腳錨桿質量控制，同時要提高拱腳部位承載能力，防止出現較大的變形。

4 結語

本研究通過對渝昆高鐵華山松隧道穿越凝灰?guī)r段兩種施工工法進行對比分析，得出以下結論。

①在位移方面，采用三臺階法開挖后，變形情況較兩臺階有一定程度的改善，其中整體最大沉降量降低14%，特征斷面沉降量降低9%；在支護結構受力方面，三臺階法要比兩臺階法稍有優(yōu)勢。

②隧道開挖后，隧道拱頂及仰拱部位出現局部拉應力，在兩側邊墻部位出現壓應力集中。施工中要注意觀察邊墻初支是否出現開裂、鼓包等現象，必要時施作臨時橫撐，以保證施工安全。